冻土区桥梁工程钻孔灌注桩温度场研究

摘要：多年冻土区的钻孔灌注桩施工开始受到广泛重视，通过对此类区域桥梁建设工程的钻孔灌注桩温度场变化情况进行研究，能够为后续的进一步建设与规划打下坚实基础，有利于解决存在的负面问题，提高桥梁建设的基础质量。因此，需要重视相关研究内容，确保施工流程可以与实际条件相贴合，降低多年冻土区桥梁建设出现问题的概率，提高钻孔灌注桩的施工效果。本文依据实际工程案例，首先明确测试元件的设置方法，随后深入研究地温监测状态与结果数据包含的信息，为后续的进一步建设打下坚实基础，以供参考。

关键词：桥梁工程；冻土钻孔；温度场分析

1实例工程概况

1.1地形桥梁概况

本次桥梁建设工程位于中山地貌区域，地形的起伏状态相对较为平缓，属于多年冻土地质类型。桥梁的两岸桥台处于斜坡表面，与桥岸的自然坡角状态为5°。桥址区地面标高数据为4687.13~4705.17m，根据测量显示相对高差数据为18.04m。

1.2区域内冻土类型

该桥梁建设工程区域为特殊岩土类型，包含多年冻土。基础天然上限数据为1.9m，属于连续衔接的种类。从冻土状态分析，分布类型包括少冰、含土冰等，融沉的等级状态为I~V级。根据多年测量分析发现，该区域冻土年平均低温数据为。

1.3试验用桩基与地层状态简述

本次选择桥梁的16-2序号桩基作为基础研究目标，该桩基采用C30类型混凝土进行浇筑，整体长度为31m，桩体直径为1.5m。桩端区域处于强风化泥岩类型地质内部，深度固定。桩体所处区域土体层次分为四个主要种类，即腐殖质、粉土、卵石、强风化泥岩[1]。腐殖质层厚度约为0.8m，包含草根成分。该层次基础压缩级别较高，存在部分冰结晶体，属于季节冻土的一种，在桩体区域具有广泛分布的特征。粉土层厚度约为3.2m，土壤条件均匀程度差，存在卵石。冻土区域为网状结构，冰层较厚，体积约为总冰含量级别的60%。卵石层厚度约为7m，内部卵石粒径在2~7cm的范围内。该层次母岩为板岩构成，冻土处于整体构造状态，内部岩芯被冻结、冰结晶为颗粒状，含冰量占总体级别的15%。强风化泥岩厚度约为20m，内部岩土质地相对脚软，冻土同样为整体构造，存在裂隙冰成分，体积为总含冰量的5~9%。

2测试元件埋设方法

为了达到地温状态测试目标，本次测试元件需要进行科学布置，确保桩基完成建设阶段后能够针对水化热产生的影响进行深入分析，明确对周边土地产生的扰动情况与回动地温的变化情况。根据本次试验桩体施工区域的土壤资料、土层分布状态分析数据可以确定，应当在桩体径向0、0.6、0.9、1.3、2、4m区域设置地温的测试孔位[2]。同时，还需要赋予对应的编号，即TN和CA15、16、17、18。在这些孔位中，CA18属于天然地温测试孔位区域。TN孔位的深度设置为31m，包含大量温度测试探头。地下内部0~10m的范围应当每隔0.5m设置单个温度测试探头，超过10m小于16m的范围应当每隔1m设置单个温度测试探头。超过16m小于26m的区域需要每隔0.5m设置单个温度测试探头，大于26m小于31m的区域应当每隔1m设置单个温度测试探头。CA15、14、16、17、18的孔位深度一致，均为20m，包含31个温度测试探头。地下0~10m区域需要每隔0.5m设置单个温度测试探头，大于10m区域每隔1m设置单个温度测试探头。

3地温状态监测与结果研究

3.1水化放热过程中不同时期各测温孔温度分布规律

3.1.1混凝土水化放热过程中地温上升阶段

在针对地温状态进行监测的过程中，需要首先明确混凝土水化热过程对地温产生的阶段性影响。通过将各个测试孔位的核心测温点数据进行整合，能够明确土体温度在施工结束后33天内的变化情况。根据结果内容分析能够发现，在混凝土产生的水化热效应影响下，桩体侧面、0.6m以及0.9m区域的土壤温度出现了迅速上升的趋势[3]。测试孔位区域不一致对应的升温速度也存在一定程度的差异，桩体侧面的温度峰值达到了14.6~22.56℃。距离桩体0.6m区域的温度最大峰值达到了10.01℃，基础温度上升幅度较大。在温度上升过程中，除深度为6m的区域外，其余位置都出现了正温的现象。距离桩体0.9m的位置最大增幅达到了2.73℃，深度为12、15m的区域出现正温现象。距离桩体1.3m区域的温度变化幅度较低，增幅仅达到0.5℃，没有出现正温现象。距离桩体2m区域的温度无变化，整体状态较为稳定。

3.1.2混凝土水化放热过程中地温下降阶段

在混凝土产生水化热效应的过程中，随着龄期不断上升，TN位置与CA15、14区域的温度在达到极限后出现了下降趋势。根据水含量与温度峰值存在的差异分析，各点位的温度下降速度也存在一定程度的不同。桩体0.9与0.6m区域的土层逐渐出现负温现象，正温状态持续时间为16、29天。在观测即将结束的时间段内，桩体的土壤温度处于0~1℃范围内，变化趋势进入稳定状态。

3.2水化热对地温的影响机制分析

通过对施工结束33天内不同深度的土壤温度变化进行分析，深度不同但近桩体区域的土壤温度变化与桩体侧面处于一致状态，测试点位距离桩体的距离越大，温度变化的状态越接近天然孔位区域，土壤温度受到水化热效应的影响较低。根据桩体测温孔的温度曲线进行分析，其平均温度增幅为0.17℃，极限增幅为0.37℃，受到水化热效应的影响相对较低。在桩体基轴上方，距离桩体0.6m区域的土层深度越高，土壤温度受到相关效应的影响便越大。随着深度增加，土壤温度受到影响开始加高，但逐渐出现下降趋势。天然温度场区域受到水化热效应影响后，恢复效果主要依赖于低温冻土的温度传递与大气条件本身的负温状态。随着深度增加，地面下方的半无限体冻土热量吸收效果逐渐增强，因此水化热效应产生的影响也出现了减弱的趋势。

3.3桩周土回冻时间分析

根据桩体侧面各个位置土层在不同时期出现的温度变化情况能够发现，在时间经过的影响下，土壤温度会出现下降趋势，如图1所示。完工33天后，深度为9m的土层区域温度进入0℃以下的范围。完工119天后，所有土壤区域均进入0℃以下的范围。在这一阶段中，受到外部气温影响的中下区域土层温度稳定在0~-1.5℃左右。这一数据表面在冻土进入了强烈相变位置，能够释放大量热量，使回冻降温的速度受到了一定程度的限制[4]。随着时间经过，下部区域土层的温度下降速度迅速上升，中部区域土层的温度出现了缓慢上升的状态，随后便开始下降。导致这一因素的主要原因与桩体端部土层容易受到低温冻土影响有关，在主体相变结束后，温度开始进入下降阶段，同时主体相变土层承担了桩体中部、底部土层的导热功能，能量交换出现增加趋势。在这种状态下，中部区域的冷土层水分子逐渐进入冰晶状态，使区域温度缓慢上升。待主体相变结束后，下部区域的负温动力会产生一定程度的影响，使中部区域的土层温度开始下降。总体分析，施工结束后12~33天内桩体周边土壤受到水化热效应的影响，出现了融化现象。在33~134天期间，桩体周边土壤处于正负温度过渡状态，水分出现过冷现象，进而发生相变。在134~170天阶段内，桩体周边土壤重新生成稳定冻土结构，整体进入温度下降阶段。通过分析14、18m的深层土壤温度状态在不同时间内的变化曲线能够发现，如图2所示，在时间影响下，桩体侧面与近处土壤温度开始向天然孔的温度级别靠近。在温度逐渐接近的影响下，各测量点位的土壤温度出现下降速度减弱趋势。通过观测能够了解，14m深度的TN孔位温度降低达到19.7℃，CA15孔位与CA14孔位温度分别降低5.27、1.2℃。18m深度状态下的TN、CA15与CA14分别降低16.62、10.1、0.77℃。根据温度下降情况分析，TN孔位相对于其他孔位的下降级别较大。在施工结束201天的状态下，14m深度级别的TN孔位温度已经低于0.6m深度级别的CA15与CA14，18m深度级别的TN孔位温度已经低于天然孔位。导致这一现象的主要原因是外界温度较高的情况下，土壤内部的温差梯度较大，水化热的影响受到了一定程度的限制，导致降温速度迅速增加[5]。在外界温度较低的情况下，混凝土桩体已经完全形成，内部导热系数相对于浅层土壤较高，因此桩体的导热效果高于土壤本身。该桩基特性直接影响冻土的温度状态，同时也会对承载能力产生对应的影响。

4分析结论

通过分析相关研究数据能够发现，在试验用桩体已经完成浇筑阶段后，其土壤内部区域会产生水化热现象。这一现象会对周边冻土区域产生较为显著的影响，通过研究相关数据能够发现，桩体侧面的温度在完成施工阶段后的第三天进入最高状态，水化热效应对距桩体0.6、0.9m位置的冻土影响效果较为显著。这一影响条件会随着时间经过出现变化，分别在3~5天与7~11天的条件下达到最高级别。混凝土桩体产生的水化热效应对距离桩体2m区域的测温点位没有观测到影响，因此可以认为距离桩体2m的冻土不会受到温度场的影响。在工程建设结束后，桩体周边的冻土会受到较为显著的影响，整体温度级别会迅速上升。在上升阶段结束后，便会随着时间经过出现下降的趋势。根据数据分析能够发现，在桩体施工阶段完成后33天，桩体侧面的区域便会出现负温现象。在桩体施工完成119天后，各区域土层会全部进入负温状态，最终在134天形成稳定冻土条件。在桩体施工结束201天后，各土壤区域的温度会与天然孔位的温度呈现一致的状态。通过针对试验桩体施工结束后的水化热状态进行深入分析，能够明确其对冻土场产生的影响效果。但是，对于运行期间内桩体产生的影响条件还尚未明确，相关研究有待进一步的开展。通过研究这一内容，可以为多年冻土地质条件的钻孔灌注桩施工提供重要的参考信息，有利于制定施工持续时间、承载能力检测时间以及桩体周边凝冰发育时间，具有重要的施工分析意义。因此，需要重视相关研究内容的应用，确保后续的建设流程能够正常完成。

5结束语

综上所述，针对多年冻土区域的钻孔灌注桩温度场情况进行深入分析，有利于明确相关变化产生的连带影响，能够为后续的施工环节提供重要的参考信息，有利于桥梁工程建设质量的提升，具有重要影响意义。

参考文献

[1]商允虎,牛富俊,吴旭阳,等.多年冻土区钻孔灌注桩施工过程热力特性研究[J].铁道学报,2020,042(005):127-135.

[2]李健宁,孙学先.水化热对高温多年冻土区桩基温度场的影响[J].铁道科学与工程学报,2019,(12):88-94.

[3]褚佳文.冻土地区桥梁桩基回冻期间的工作性态分析[D].石家庄铁道大学,2018.

[4]姜云花,李高升,赵林晔,赵宇琴,段少龙,张伟东.复合热边界下多年冻土路基温度场研究[J].内蒙古大学学报(自然科学版),2020,234(06):93-101.

[5]韩跃杰,富志鹏,李博融.多年冻土区隧道传热模型及温度场分布规律[J].中国公路学报,2019,32(7).

作者:王桂茵 单位:福建船政交通职业学院